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Die Erfindung betrifft ein Planetengetriebe, insbesondere für Windkraftanlagen, umfassend mindestens eine Getriebestufe mit zwei parallel geschalteten und leistungsverzweigenden Planetenstufen, wobei mindestens eine der beiden Planetenstufen ein mit einem Gehäuse wirkverbundenes Hohlrad umfasst, an dessen Innenumfangsfläche mindestens drei Planetenräder angeordnet sind.
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Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich auf alle Bauarten von Windkraftgetrieben. Unter anderem sind Differentialgetriebe, Koppelgetriebe, Hybridgetriebe aber auch Standardwindgetriebe denkbar.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Aus der
DE 199 63 597 A1 geht ein Getriebe, insbesondere für Windkraftanlagen, bestehend aus einer antriebsseitigen Planetenstufe der mindestens eine Getriebestufe nachgeschaltet ist hervor. Das Planetengetriebe besteht aus mindestens zwei parallel geschalteten leistungsverzweigenden Planetenstufen. Den leistungsverzweigenden Planetenstufen ist eine Differenzialgetriebestufe nachgeschaltet, um die abfließende Leistung der beiden Planetenstufen zu summieren.
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Die
US 3 021 731 A und die
US 3 011 365 A offenbaren eine Planetenstufe mit einem Hohlrad, das nachgiebig gegenüber radialen Verlagerungen der Planetenräder ausgestaltet ist.
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Eine Planetengetriebeanordnung mit einem elastisch verformbaren, dünnwandigen Hohlrad ist aus der
DE 199 61 788 B4 bekannt.
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Die
DE 10 2006 039 652 A1 bezieht sich auf eine automatische Untersetzungsverhältnis-Schaltvorrichtung, die in der Lage ist, ein Untersetzungsverhältnis automatisch zu schalten, das von einer Abtriebswelle bspw. auf ein anderes Element übertragen wird, oder auf eine Vorrichtung mit einem Planetengetriebe, wenn eine aufgebrachte Last ein festgelegtes Drehmoment überschreitet.
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Die
DE 37 82 033 T2 offenbart ein Planetengetriebe. Dieses wird als Untersetzungsgetriebe für einen Anlasser verwendet.
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Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik geht hervor, dass Planetenstufen in Planetengetrieben, insbesondere von Windkraftanlagen, überwiegend mit drei oder vier Planetenrädern ausgeführt werden. Häufig wird das Sonnenrad in den einzelnen Planetenstufen radial nachgiebig angeordnet, so dass eine optimale Lastverteilung zwischen den Planetenrädern erzielt wird. Die Planetenstufen in Windkraftgetrieben mit vier oder mehr Planetenrädern werden bisher weitestgehend in statisch überbestimmter Bauart ausgeführt, so dass die Erhöhung der Planetenradanzahl mit hohen und unwirtschaftlichen Lastüberhöhungsfaktoren verbunden ist.
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Planetengetriebe, insbesondere solche mit einer Differenzialstufe, bieten ein Potenzial zur Erhöhung der Leistungsdichte durch eine Steigerung der Anzahl der Planetenräder von drei auf vier oder mehr Planetenrädern. Mit der Erhöhung der Planetenradanzahl steigt jedoch der Einfluss der fertigungs- und montagebedingten Abweichungen der Maschinenelemente auf die Lastüberhöhung in den Zahneingriffen an. Somit ist eine Konzeptionierung weiterer Lastausgleichsmechanismen nötig.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Planetengetriebe bereitzustellen, dass eine optimale Lastverteilung auf alle Planetenräder ermöglicht.
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Das Hohlrad ist in radialer Richtung nachgiebig und somit einstellbeweglich zum Lastausgleich zwischen dem mindestens drei Planetenrädern und dem Hohlrad ausgebildet. Vorzugsweise wird die erste Planetenstufe im Zweiwellenbetrieb betrieben, wobei das Hohlrad die festgesetzte Welle ist. Das Drehmoment des Hohlrades wird in das Gehäuse übertragen. Die radiale Nachgiebigkeit des Hohlrades gewährleistet einen Lastausgleich der Planetenräder. Dies erlaubt insbesondere einer Erhöhung der Anzahl der Planetenräder, wodurch die Verzahnungen und die Lager geringer dimensioniert und die Leistungsdichte im Planetengetriebe gesteigert werden können. Die Ausbildung als Planetengetriebe im Dreiwellenbetrieb ist ebenfalls denkbar.
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Vorzugsweise sind an der Innenumfangsfläche des Hohlrades mindestens fünf Planetenräder angeordnet. Eine Erhöhung der Planetenradanzahl von drei auf mindestens fünf Planetenräder teilt den Leistungsfluss auf mehrere einzelne Leistungszweige, so dass die übertragbare Leistung gesteigert werden kann oder das Planetengetriebe bei gleicher Leistung geringer dimensioniert werden kann.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Hohlrad über eine an der Innenumfangsfläche ausgebildete Verzahnung und über eine axiale Ausprägung des Gehäuses, die eine Verzahnung an einer Außenumfangsfläche aufweist, radial mit dem Gehäuse wirkverbunden. Mit anderen Worten ist das Hohlrad über eine Art Zahnkupplung an dem Gehäuse gekoppelt und ermöglicht ein radiales Aufweiten des Hohlrades, wodurch ein Lastausgleich der Planetenräder gewährleistet wird. Dabei kann das Hohlrad eine durchgängige Laufverzahnung aufweisen, die eine schnelle und einfache Fertigung ermöglicht. Des Weiteren ist als Zahnkupplung gegenüber der Laufverzahnung auch eine uneinheitliche Verzahnung denkbar.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Hohlrad über an einer Stirnfläche ausgebildete axiale Ausprägungen und axiale Aussparungen axial mit dem Gehäuse über korrespondierend dazu am Gehäuse ausgebildete axiale Aussparungen und axiale Ausprägungen wirkverbunden. Mit anderen Worten folgt in Umfangsrichtung abwechselnd sowohl bei dem Hohlrad als auch bei dem Gehäuse eine axiale Aussparung auf eine axiale Ausprägung. Die axialen Aussparungen und die axialen Ausprägungen ermöglichen durch einen Formschluss untereinander, indem jeweils die Ausprägungen des Hohlrades in die Aussparungen des Gehäuses zur Anlage kommen. Somit ist eine radiale Aufweitung des Hohlrades gegeben.
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Vorzugsweise ist zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse ein an einer Innenumfangsfläche eine Verzahnung aufweisendes Federelement zur Drehschwingungsdämpfung zwischen Hohlrad und Gehäuse angeordnet, dessen Verzahnung in Umfangsrichtung jeweils zwischen einer der axialen Ausprägungen des Hohlrades und einer der axialen Ausprägungen des Gehäuses zur Anlage kommt. Das Federelement kann als Elastomerring ausgebildet sein und erlaubt eine Drehschwingungsdämpfende Kraftübertragung zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse, wobei das radiale Aufweiten des Hohlrades erhalten bleibt. Ferner bietet dieses Ausführungsbeispiel auch den Vorteil des Ausgleichs von axialen, radialen und winkligen Wellenfluchtungsfehlern aus.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Hohlrad mindestens zwei axiale Bohrungen auf und ist über jeweils ein darin angeordnetes Verbindungselement zu beiden Stirnflächen hin axial mit dem Gehäuse verbunden, wobei in mindestens axialen Bohrungen radial zwischen dem Verbindungselement und dem Hohlrad eine Elastomerhülse zur radialen Nachgiebigkeit des Hohlrades angeordnet ist. Die mindestens zwei Bohrungen in dem Hohlrad sind als Spielpassbohrungen ausgeführt. Als Verbindungselement zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse dienen insbesondere Bolzen. Andere Verbindungselemente wie beispielsweise Schrauben sind ebenfalls denkbar. Die Übertragung des Drehmomentes in das Gehäuse wird über den Formschluss zwischen Verbindungselement, Elastomerhülse und Bohrung gewährleistet. Die Elastizität und somit die durch den Kraftangriff herbeigeführte Querschnittsänderung der Elastomerhülse führen zu einer radialen Einstellbewegung des Hohlrades.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Hohlrad mindestens zwei axiale Bohrungen auf und ist über jeweils ein darin angeordnetes Verbindungselement zu einer Stirnfläche hin axial mit dem Gehäuse verbunden, wobei radial zwischen dem Verbindungselement und dem Hohlrad ein Spalt über im Wesentlichen eine gesamte Bohrungslänge ausgebildet ist. Die mindesten zwei axialen Bohrungen sind somit als Spielpassbohrungen ausgebildet. Das Verbindungselement ist mit einem axialen Ende des Hohlrades fest verbunden und mit dem anderen axialen Ende an dem Gehäuse fest verbunden. Besonders bevorzugt herrscht zwischen dem Hohlrad und dem Gehäuse ein Pressverbund. Aufgrund des Spaltes zwischen Verbindungselement und Hohlrad wird eine parallele Verschiebung des Hohlrades gewährleistet. Das Drehmoment des Hohlrades wird über den Formschluss zwischen den mindestens zwei axialen Bohrungen im Hohlrad und dem Verbindungselement über diesen in das Gehäuse übertragen.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Mitnehmerring radial mit dem Hohlrad über eine an einer Innenumfangsfläche ausgebildeten Verzahnung mit einer an der Außenumfangsfläche des Hohlrades ausgebildeten Verzahnung wirkverbunden, wobei die Verzahnung am Mitnehmerring an einem radialen nachgiebigen und torsionssteifen Abschnitt ausgebildet ist. Dazu ist der Abschnitt im Vergleich zum restlichen Hohlrad besonders dünnwandig ausgebildet. Die Drehmomentübertragung und somit die Anbindung des Hohlrades an das Gehäuse wird über eine Zahnkupplung gewährleistet. Als Werkstoffe für den Mitnehmerring eignen sich insbesondere zähe und elastische metallische Werkstoffe. Der dünnwandige Abschnitt begünstigt ein elastisches Verformen und erlaubt eine radiale Lastausgleichbewegung der Planetenräder.
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Erfindungsgemäß ist das Hohlrad über eine an einer Außenumfangsfläche ausgebildeten Verzahnung mit einer an einer Innenumfangsfläche des Gehäuses ausgebildeten Verzahnung wirkverbunden, wobei die Verzahnung am Hohlrad an einem radialen nachgiebigen und torsionssteifen Abschnitt ausgebildet ist. Mit anderen Worten weist das Hohlrad einen in Vergleich zum restlichen Hohlrad relativ dünnwandigen Abschnitt auf, an dem die Verzahnung angeordnet ist. Der dünnwandige Abschnitt begünstigt ein elastisches Verformen und erlaubt einen Lastausgleich der Planetenräder.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Hohlrad über zwei an einer Außenumfangsfläche ausgebildete Verzahnungen mit zwei an einer Innenumfangsfläche des Gehäuses ausgebildete Verzahnungen wirkverbunden, wobei die beiden Verzahnungen am Hohlrad an einem radial nachgiebigen und torsionssteifen Abschnitt ausgebildet sind. Somit wird das Hohlrad an zwei Stellen im Gehäuse gestützt. Die dünnwandigen Abschnitte begünstigen ein elastisches Verformen und erlauben einen Lastausgleich der Planetenräder.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine sinnbildliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Planetengetriebes,
- 2 eine teilweise Schnittansicht einer nicht erfindungsgemäßen Kopplung zwischen Hohlrad und Gehäuse aus 1,
- 3a eine teilweise Schnittansicht einer Kopplung zwischen Hohlrad und Gehäuse gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
- 3b eine teilweise Schnittansicht der Verbindung zwischen den axialen Ausprägungen des Gehäuses, den axialen Ausprägungen des Hohlrades und einem Federelement,
- 4 eine teilweise Schnittansicht der erfindungsgemäßen Kopplung zwischen Hohlrad und Gehäuse gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
- 5 eine teilweise Schnittansicht einer Kopplung zwischen Hohlrad und Gehäuse gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
- 6 eine teilweise Schnittansicht der erfindungsgemäßen Kopplung zwischen Hohlrad und Gehäuse gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 7a eine teilweise Schnittansicht der erfindungsgemäßen Kopplung zwischen Hohlrad und Gehäuse gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und
- 7b eine teilweise Schnittansicht der erfindungsgemäßen Kopplung zwischen Hohlrad und Gehäuse gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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Gemäß 1 umfasst das Planetengetriebe eine Getriebestufe 1 mit zwei parallel geschalteten und leistungsverzweigenden Planetenstufen 2a, 2b. Der Getriebestufe 1 ist eine Differentialstufe 3 nachgeschalten. Ein erster Teil der Leistung fließt über einen Planetensteg 17a der ersten Planetenstufe 2a zu einer Hohlradwelle 19 der zweiten Planetenstufe 2b. An dem Planetensteg 17a sind fünf Planetenräder 6a, 6b - von denen aufgrund der Darstellung jedoch nur zwei Planetenräder 6a, 6b zu sehen sind - angeordnet, die mit einer Verzahnung 7a eines Hohlrades 5 gekoppelt sind.
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Das Hohlrad 5 ist über die Verzahnung 7a auch an einem Gehäuse 4 gekoppelt. Ferner ist das Hohlrad 5 in radialer Richtung nachgiebig und somit einstellbeweglich zum Lastausgleich zwischen den fünf Planetenrädern 6a, 6b und dem Hohlrad 5 ausgebildet. Ein zweiter Teil der Leistung fließt über das Hohlrad 5 und die Sonnenradwelle 18 zum Planetensteg 17b zur leistungssummierenden Differentialstufe 3.
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Gemäß 2 ist das Hohlrad 5 über eine an der Innenumfangsfläche ausgebildeten Verzahnung 7a radial mit dem Gehäuse 4 über eine axiale Ausprägung 8 des Gehäuses 4, die eine Verzahnung 7b an einer Außenumfangsfläche aufweist, wirkverbunden. Radial zwischen einer Außenumfangsfläche des Hohlrades 5 und dem Gehäuse 4 befindet sich ausreichend Raum zum Aufweiten des Hohlrades 5 aufgrund der relativ dünnwandigen Ausbildung des Hohlrades 5 und der Werkstoffelastizität. Mithin ist das Hohlrad 5 in radialer Richtung nachgiebig und somit einstellbeweglich ausgebildet.
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Gemäß den 3a und 3b ist das Hohlrad 5 über einen axial zwischen dem Hohlrad 5 und dem Gehäuse 4 angeordnetes Federelement 12 in Form eines Elastomerrings 12 mit dem Gehäuse 4 wirkverbunden. Dazu weist das Hohlrad 5 an einer zum Gehäuse 4 gerichteten Stirnfläche axiale Ausprägungen 9a und axiale Aussparungen 10 auf. Auch das Gehäuse 4 weist an einer zum Hohlrad 5 gerichteten Stirnfläche axiale Ausprägungen 9b und axiale Aussparungen 10 auf, die korrespondierend zu den axialen Ausprägungen 9a und den axialen Aussparungen 10 des Hohlrades 5 ausgebildet sind. Die axialen Ausprägungen 9a des Hohlrades 5 sind in einer axialen Aussparung 10 zwischen zwei axialen Ausprägungen 9b des Gehäuses 4 angeordnet. Ferner weist der Federelement 12 an einer Innenumfangsfläche eine Verzahnung 11 zur Drehschwingungsdämpfung zwischen Hohlrad 5 und Gehäuse 4 auf. Die Verzahnung 11 des Elastomerrings 12 kommt in Umfangsrichtung jeweils zwischen einer der axialen Ausprägungen 9a des Hohlrades 5 und einer der axialen Ausprägungen 9b des Gehäuses 4 zur Anlage. Ferner liegt der Elastomerring 12 mit einer Außenumfangsfläche an dem Gehäuse 4 an. Radial zwischen der Außenumfangsfläche des Hohlrades 5 und dem Gehäuse 4 befindet sich ausreichend Raum zum Aufweiten des Hohlrades 5 aufgrund der relativ dünnwandigen Ausbildung des Hohlrades 5 und der Werkstoffelastizität. Mithin ist das Hohlrad 5 in radialer Richtung nachgiebig und somit einstellbeweglich ausgebildet.
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In 4 weist das Hohlrad 5 zwei axiale Bohrungen 13 auf - von denen aufgrund der Darstellung nur eine axiale Bohrung 13 zu sehen ist - durch die ein Bolzen 20 verläuft. Der als Verbindungselement dienende Bolzen 20 verbindet das Hohlrad 5 zu beiden Stirnflächen hin axial mit dem Gehäuse 4, wobei radial zwischen dem Bolzen 20 und dem Hohlrad 5 eine Elastomerhülse 14 zur radialen Nachgiebigkeit des Hohlrades 5 angeordnet ist. Radial zwischen der Außenumfangsfläche des Hohlrades 5 und dem Gehäuse 4 befindet sich ausreichend Raum zum Aufweiten des Hohlrades 5 aufgrund der Verbindung zwischen Hohlrad 5 und Elastomerhülse 14. Mithin ist das Hohlrad 5 in radialer Richtung nachgiebig und somit einstellbeweglich ausgebildet.
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Gemäß 5 weist das Hohlrad 5 zwei axiale Bohrungen 13 auf - von denen aufgrund der Darstellung nur eine axiale Bohrung 13 zu sehen ist - durch die ein Bolzen 20 verläuft. Der als Verbindungselement dienende Bolzen 20 verbindet das Hohlrad 5 zu einer Stirnfläche hin axial mit dem Gehäuse 4, wobei radial zwischen dem Bolzen 20 und dem Hohlrad 5 ein Spalt 15 über im Wesentlichen eine gesamte Bohrungslänge ausgebildet ist. Die Auslegung des Spaltes 15 hängt von der Formgebung des Bolzens 20 ab. Die Länge des Spaltes 15 wiederum ist abhängig von der Auslegung der Übermaßpassung zwischen Bolzen 20 und Bohrung 13 im Hohlrad 5. Die biegeweiche Kontur des Bolzens 20 ermöglicht somit über Einschnürungsbereiche am Bolzenquerschnitt eine parallele Verlagerung des Hohlrades 5. Der Bolzen 20 kommt an der von der mit dem Gehäuse 4 verbundenen Stirnfläche entgegengesetzten Stirnfläche zur Anlage und ist fest mit dem Gehäuse 4 verbunden. Es befinden sich im lastfreien Zustand lediglich die Anlagefläche zwischen Bolzen 20 und Gehäuse 4, sowie die Übermaßpassung zwischen Bolzen 20 und Hohlrad 5 im kraftschlüssigen Verbund. Mit wirkendem Kraftangriff gehen die Bolzen 20 und die Bohrung 13 einen Formschluss ein, so dass über die zueinander nahezu korrespondierenden Krümmungen des Bolzens 20 und der Bohrung 13 das Drehmoment über den Bolzen 20 in das Gehäuse 4 übertragen wird. Radial zwischen der Außenumfangsfläche des Hohlrades 5 und dem Gehäuse 4 befindet sich ausreichend Raum zum Aufweiten des Hohlrades 5. Der Spalt 15 zwischen Bolzen 20 und Hohlrad 5 erlaubt eine radiale Verschiebung des Hohlrades 5. Mithin ist das Hohlrad 5 in radialer Richtung nachgiebig und somit einstellbeweglich ausgebildet.
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Nach 6 ist ein Mitnehmerring 16 radial mit dem Hohlrad 5 über eine an einer Innenumfangsfläche ausgebildeten Verzahnung 7a mit einer an der Außenumfangsfläche des Hohlrades 5 ausgebildeten Verzahnung 7b wirkverbunden. Die Verzahnung 7a am Mitnehmerring 16 ist an einem radial nachgiebigen und torsionssteifen Abschnitt ausgebildet. Die radiale Nachgiebigkeit des Abschnitts des Mitnehmerringes 16 rührt von einer relativ dünnwandigen Ausbildung und der Werkstoffelastizität. Der Mitnehmerring 16 kann axial zwischen dem Gehäuse 4 und einem Gehäusedeckel 21 über - hier nicht dargestellte - Schrauben, Bolzen oder andere Verbindungselemente axial am Gehäuse 4 befestigt sein.
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Radial zwischen dem Mitnehmerring 16 und dem Gehäuse 4 befindet sich ausreichend Raum zur radialen Verschiebung des Hohlrades 5. Mithin ist das Hohlrad 5 in radialer Richtung nachgiebig und somit einstellbeweglich ausgebildet.
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Nach 7a ist das Hohlrad 5 über eine an einer Außenumfangsfläche ausgebildeten Verzahnung 7b mit einer an einer Innenumfangsfläche des Gehäuses 4 ausgebildeten Verzahnung 7a wirkverbunden. Die Verzahnung 7b am Hohlrad 5 ist an einem radial nachgiebigen und torsionssteifen Abschnitt ausgebildet. Die radiale Nachgiebigkeit des Abschnitts rührt von einer relativ dünnwandigen Ausbildung und der Werkstoffelastizität. Entscheidend ist die Formgebung der Kontur, die über gezielte Schwächungen der Biegesteifigkeit eine Radiale Ausgleichsbewegung des Hohlrades in der Systemumgebung ermöglicht.
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Gemäß 7b ist das Hohlrad 5 über zwei an einer Außenumfangsfläche ausgebildeten Verzahnungen 7b mit zwei an einer Innenumfangsfläche des Gehäuses 4 ausgebildeten Verzahnungen 7a wirkverbunden. Die beiden Verzahnungen 7b am Hohlrad 5 sind an einem radial nachgiebigen und torsionssteifen Abschnitt ausgebildet. Die radiale Nachgiebigkeit des Abschnitts rührt von einer relativ dünnwandigen Ausbildung und der Werkstoffelastizität.
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Sowohl in dem Ausführungsbeispiel aus 7a als auch in dem Ausführungsbeispiel aus 7b befindet sich radial zwischen dem Hohlrad 5 und dem Gehäuse 4 ausreichend Raum zur radialen Verschiebung des Hohlrades 5. Mithin ist das Hohlrad 5 in radialer Richtung nachgiebig und somit einstellbeweglich ausgebildet.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel gemäß 1. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel dient nur der Veranschaulichung am Beispiel eines Differentialgetriebes. Die Erfindung bezieht sich auf Windgetriebe jeglicher Ausführung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebestufe
- 2a, 2b
- Planetenstufe
- 3
- Differentialstufe
- 4
- Gehäuse
- 5
- Hohlrad
- 6
- Planetenrad
- 7a, 7b
- Verzahnung
- 8
- Ausprägung
- 9a, 9b
- Ausprägungen
- 10
- Aussparungen
- 11
- Verzahnung
- 12
- Federelement
- 13
- Bohrungen
- 14
- Elastomerhülse
- 15
- Spalt
- 16
- Mitnehmerring
- 17a, 17b
- Planetensteg
- 18
- Sonnenradwelle
- 19
- Hohlradwelle
- 20
- Bolzen
- 21
- Gehäusedeckel
